融入设计思维的小学STEAM教学活动设计

杨彩香　钟媚　胡家亮　刘琦

摘  要 将设计思维模式融入STEAM教学，参考斯坦福大学提出的EDIPT模型，构建融入设计思维的STEAM教学活动设计模式，并在该模式基础上分析教学活动设计理念，最后结合小学科学内容，制作出小学STEAM教学活动案例“制作简易走马灯”，尝试为小学STEAM教学提供借鉴。

关键词 小学科学;设计思维;STEAM;EDIPT模型;科学素养;简易走马灯;创新能力

中图分类号：G620    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）15-0074-03

1 引言

在小学阶段，为加强对学生科学素养的培养，教育部于2001年公布了《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《标准》），并随着教育发展先后进行数次修订。2017年，《标准》进行了最新一次修改。其中，首次将科学课程的学段由原先的1～3年级增至1～6年级，说明小学科学课程得到全方位的重视;另外，在课程设计方面强调“探究”“综合”，注重通过对知识的整合，促进学生整体认识和学习科学等[1]。依据《标准》，小学科学开始围绕实际生活问题并往综合化的课程前进，这与STEAM教育强调问题解决为导向的跨学科教育不谋而合。STEAM教育注重通过科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）等学科联系成系统整体进行教学。

小学科学课在STEAM理念的指导下取得一定的发展与提升，但也存在些许问题，侧面反映出STEAM教育当前的困境。在课程需求方面，教师虽然能够引入接近生活实际的主题，却忽视对学生的共鸣指导，学生不能站在用户的角度去考虑需求与问题;在学科内容方面，衔接突然、过于宽泛，很难真正应用在教学实践中[2];在方法运用方面，使用工具单一化，缺乏创新策略的使用，导致学生创新意识不强。

设计思维强调培养思维发散与创新的理念与模式，在STEAM理念下的小学科学教育中初露头角，不仅给予可参照的成熟模式，还附带系统化的创新工具，有助于解决当前STEAM科学课存在的问题。且STEAM教育与设计思维的社会性、迭代性、协作性等特征相契合。因此，本文探索将设计思维融入小学科学的STEAM教学中，构建STEAM教学活动设计模式，并结合教学要求开发教学活动案例。

2 融入设计思维的STEAM教学

设计思维  1987年，Rowe提出设计思维的概念（Design Thinking）[3]。其后，设计思维被普遍用于工业、商业等领域，到20世纪末开始被引入教育领域。目前关于设计思维具体概念的讨论，可以从三个方面进行理解。

1）方法观：设计思维是一套用于支持设计创新、问题解决的方法论体系[4-5]。

2）能力观：将设计思维视为专门进行复杂思考的思维能力。

3）过程观：认设计思维是一个通过不断构思、原型制

作、测试评价并不断迭代，最终找到问题解决方法的创新过程[6]。众多学者也由此提出各种设计思维的基本步骤。

综上，设计思维不是单一片面的方法或思维能力，而是强调以人为本，且融合创新模式、创新工具、创新思维的思维方式与方法论，致力通过新颖的设计步骤、多角度思考的方式以及运用支持创新的工具，达到真实问题的解决。

融入设计思维的STEAM教学  选择设计思维融入STEAM教学，除了为解决STEAM教学中存在的问题，还因两者在教学目标、教学内容、过程方法等方面有相同或相近的理念，能够加快融合，促进收获更好的教学效果。从教学目标上看，设计思维强调选取来自真实情境的创新项目，致力促进项目的创新解决，培养创新能力等面向21世纪的核心素养，这与STEAM通过利用解决现实问题的方式培养学生的STEAM素养有着相通的理念;从教学内容上看，两者都注重整体性的内容，设计涵括多学科知识的问题，特别是科学、技术、工程、数学等学科;从过程方法上看，两者都提倡采取小组合作、多元化评价等方式方法。

目前，融入设计思维的STEAM教学取得一定的发展，如斯坦福大学设计学院和教育研究生院合作开发的基于设计思维的d.Loft STEM Learning课程[7]，我国研究者也初步构建了融入设计思维的STEAM教学设计模式。总的来说，融入设计思维的STEAM教学就是从以人为本出发，利用设计思维步骤、工具、方法，促进STEAM教学中现实情境问题的解决。

3 融入设计思维的STEAM教学活动设计模式

目前，设计思维广泛使用的是Hasso Plattner设计学院（D.School）提出的“共情（Empathize）—定义（Define）—构思（Ideate）—原型（Prototype）—测试（Test）”五阶段的EDIPT模型[8]。本文以EDIPT模型作为参考，并结合STEAM教育的理念、困境，进而制作出融入设计思维的小学STEAM教学活动设计模式，如图1所示。在该模型的指导教学中，借助设计思维的创新思考方式、工具、方法等，带动学生移情体验并明确问题，再多角度设计创造性方案，最终达到模型产品的实现。具体分为五个环节。

1）需求分析。教師通过创设适合学生的社会情境，确定项目的任务，并引导学生融入情境产生共情，分析问题需求，了解要设计的产品。

2）明确问题。教师讲解与设计主题相关的知识原理，给学生作基础铺垫，并引导学生学会整合、梳理、明确表明要解决的问题。

3）蓝图设计。教师设置头脑风暴，激发学生的发散思维和聚合思维，两者并驾齐驱，促进创新方案构思，即集思广益。

4）制作模型。教师指导小组动手实践，同时注意模型的反复改进、迭代优化。

5）交流评价。学生将制作的模型在组间相互交流，这个过程是为了通过分享体验交流的过程来获得反馈意见，便于后续根据意见再次修正、完善。

4 融入设计思维的STEAM教学活动设计

参考融入设计思维的小学STEAM教学活动设计模式，制定出“制作简易走马灯”教学活动案例。该案例主题的选择来源于《标准》要求与苏教版四年级《科学》教材中第一单元“热空气和冷空气”内容的结合。本文借助该案例，阐述教学活动设计理念和每一环节的教学设计。

“制作简易走马灯”教学活动设计理念  “制作简易走马灯”课例是融入设计思维的小学STEAM教学活动设计模式的实现，强调通过运用STEAM各学科知识，设计富有创造力的方案，进而在解决问题的同时培养创新能力，从这样的角度出发形成教学活动设计理念。在“制作简易走马灯”的具体活动中，学生通过构思并制作走马灯的过程，符合该设计理念;活动细节处也与STEAM理念吻合，体现在科学、技术、工程、数学、艺术以及历史学科上。

1）S（科学）：走马灯能够旋转，是由于冷热空气流动成风的原理，属于科学范畴。

2）T（技术）：走马灯的模型实现需要学生动手制作，制作过程涉及叶轮等材料的选择、各类工具的使用等技术范畴。

3）E（工程）：对四年级学生来说，从设计主题到制作出走马灯产品，是一个系统化的工程项目，提高了他们的工程设计能力。

4）M（数学）：学生在设计过程中要考虑走马灯转动快慢问题，涉及叶轮的大小、数量等，关于这方面的计算需要数学逻辑知识作为支撑。

5）A（艺术）：生活中常见的走马灯都是五彩斑斓的，可引导学生尝试美化产品，融合运用美学知识。

6）H（历史）：走马灯也称跑马灯、串马灯，是富含我国传统文化的工艺品，了解它的起源，关乎历史学科。

“制作简易走马灯”教学活动设计  基于设计思维模型的流程，设计出制作简易走马灯的教学活动。

1）需求分析。教师先创设情境以确定项目任务。教师先播放我国古代和现代的花灯展视频，其中富含各具特色的走马灯。通过视频放映的方式，创设主题情境。教师通过观察学生的反应，了解他们对走马灯的认识情况，然后提出“同学们，若帮助一位贫穷的小女孩在古代花灯节中庆元宵，她需要些什么呢？那么，你会怎么做”等问题，环环相扣，使学生对小女孩产生移情，符合设计思维以人为中心的核心理念。同时，引起学生对小女孩的需求分析，逐渐激起探究走马灯的兴趣，也由此给学生确定了要制作走马灯的任务。

在这个过程中，教师要注意引导学生认真观察视频内容，且给学生配备观察记录表、同理心记录单，将需求分析结果写下来，为下面的步骤作铺垫。

2）明确问题，即通过原理讲解，引导问题确定。要制作走马灯，前提是要明确如何解决制作的问题，要发现问题所在，必须充分了解走马灯是什么，具体结构有哪些。在该环节，教师首先给学生讲解走马灯的历史由来;其次，提供最简单的走马灯样品给每个小组进行观察（图2）;再次，在演示分析走马灯转动的科学原理后，指导学生小组通过拆解的方法获取走马灯的构造（支架、火焰笼、蜡烛、叶轮），了解每个部分的功能，如蜡烛能够提供光亮和热气流，叶轮可以牵动旋转等;最后，发放定义问题表，助力引导学生确定要设计的问题。

3）蓝图设计。设计思维主张如设计师一样思考，因此，蓝图设计是培养学生创新能力的核心阶段，也是实现走马灯模型制作的关键步骤。教师要转变角色，充当学生的启发者、引导者，首先设置头脑风暴，让学生集思广益，思维从发散到聚合，最后汇聚成一个蓝图或方案。如教师引导学生带着原理思考“走马灯要如何设计才能实现转动？若旋转太慢或太快，怎么设计叶轮”等问题，然后发放头脑风暴记录表、设计草图等设计思维工具，帮助学生记录想法;接下来组织小组讨论各种可能性，循环往复地比较分析，最终得到最优方案，完成蓝图设计，结果如图3所示。

4）制作模型。指导小组实践操作，动手操作使学生更为积极踊跃。为了高效地完成模型制作，教师布置两项任务：

①组织每个小组讨论任务分工，每个组员有明确分工，减少错乱甚至冲突的状况;

②限定完成时间，体现“快速”原则，利用时限性激起无限可能。

该环节启动前，教师应提供足够的制作工具与材料，包括纸杯、蜡烛、剪刀、小刀、尺子、针、线等，如图4所示。接着小组开始合作开展制作过程，教师要实时监督，及时引导并纠错，如当走马灯转动不了时，指导记录并根据原理寻找原因。经过调试，完成粗略模型。另外，在整个过程中加强安全教育。

5）交流评价。学生进行体验交流与反馈评价，该环节蕴含两个层面的内容：

①作品的分享交流过程;

②作品的测试反馈过程，上一环节完成的模型，在此阶段得到不断修正与完善。

首先，教师要求学生代表展示各自的走马灯作品，包括展现实验效果、阐述设计思路以及讲明解决困难的过程，实质是对走马灯的体验与测试;

其次，组织学生围绕关键点交流，包括实现走马灯转动的方法、遇到的困境、收获的经验教训等，紧接着发布评价量表，进行互评和自评;

最后，小组基于反馈内容再反思，尽力修改、完善作品。

5 结语

本文从小学科学STEAM教学存在的问题入手，发现融入设计思维的STEAM教学可以有效解决课程需求、学科内容、方法运用方面的问题，由此构建出融入设计思维的小学STEAM教学活动模式;基于该模式展开具体的案例设计，以期帮助教师深入了解设计思维、STEAM理念以及两者的融合性。同时，借助案例，分析整体的设计理念、思路、方法，促进教师更好地引导学生设计探究，以提升学生的创新能力，促进学生全面发展。

参考文献

[1]义务教育小学科学课程标准[DB/OL].[2017-01-19].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201702/t20170215_296305.html.

[2]田秀兰.基于STEAM教育理念的小学科学课程实践研究：以银川H小学为例[D].宁夏大学，2019.

[3]林琳，沈书生.设计思维的概念内涵与培养策略[J].现代远程教育探究，2016（6）：18-25.

[4]Brown T. Design thinking[J].Harvard business review，2008（6）：1-9.

[5]Buchanan R. Wicked problems in design thinking[J].Design Issues，1992，8（s2）：5-21.

[6]Razzouk R， Shute V. What is design thinking and why is it important[J].Review of educational research，2012，82（3）：330-348.

[7]陳鹏，田阳，黄荣怀.基于设计思维的STEM教育创新课程研究及启示：以斯坦福大学d.loft STEM课程为例[J].中国电化教育，2019（8）：82-90.

[8]An Introduction to Design Thinking PROCESS GUIDE[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/957a20f8964bcf84b8d57b1d.html.